2023年4月JLT光通信论文评析
发布时间：2023-05-23 10:46:30 热度：1302
5/23/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑邵宇丰，王安蓉，袁杰，刘栓凡，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，杨林婕胡文光，李文臣，陈超，柳海楠。
2023年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：模拟光纤无线系统、光电探测器阵列、无源光网络、多输入多输出系统和可见光通信等；笔者将逐一评析。
1.模拟光纤无线系统
华中科技大学的Haixuan Xu等研究人员设计了采用直接调制激光器（DML）的双向模拟光纤无线（A-RoF）系统，如图1所示。为提升频谱效率并减轻双向传输干扰，上下行链路的工作频率范围设置为5.5GHz-8.4GHz、1.5GHz-5.3GHz。研究人员将上行16QAM-OFDM信号与下行64QAM-OFDM信号在25km单模光纤（SMF）中传输后进行了性能分析[1]，研究结果表明：传输损失主要由瑞利后向散射造成，且采用空芯光纤可提升传输性能；在前向纠错误差矢量幅度（FEC-EVM）的限制下，采用预加重技术能支持上下行信号的成功收发。因此，该方案有望成为未来高容量无线接入网络中的候选方案之一。
2.光电探测器阵列
日本信息与通信技术研究所的Toshimasa Umezawa等研究人员设计了新型谐振腔2维4×4光电探测器阵列（2D-PDA），并在波分复用自由空间光（WDM-FSO）通信系统中进行了实验研究，如图2所示。该器件实现了与FSO光束的直接耦合，降低了跟踪光束和与单模光纤耦合对准的难度，并展现了过滤WDM光束特定波长的作用。在没有安装波束跟踪和主动对准定位系统时，研究人员针对1.5m的FSO信道，通过传输非归零码（NRZ）信号来研究该器件的性能[2]，研究结果表明：该器件支持收发每通道25Gbps的2-WDM-FSO波束及20Gbps的3-WDM-FSO波束，且接收误码率低于2×10-2；在1.5m自由空间内，接收透镜的对准公差为7mm。综上所述，该器件在短距离通信中有一定的应用前景。
3.无源光网络
中山大学的Xiaowu Wang等研究人员在光纤临街（FTTF）场景中利用基础设施，实现了激光共享滤波器组多载波无源光网络（FBMC-PON）上行架构，从而使得光网络单元（ONU）中的数据传输速率达到100Gb/s/𝜆，如图3所示。研究人员将强度调制（IM）、外差检测与偏振复用（PDM）结合，使系统容量提升；并通过异步光网络终端（ONT）研究了FBMC-PON信号在20km单模光纤（SMF）中的传输性能 [3]。研究结果表明：当保护频带为两个异步ONT频带间子载波间距的1倍时，FBMC在硬判决前向纠错（HD-FEC）和软判决前向纠错（SD-FEC）门限处的接收机灵敏度提高了8dB和3dB；当接收功率为-23dBm时，为支持2、4和8个ONT的应用，窄线宽激光器的发射光功率分别为10、16和22dBm。综上所述，上述网络架构是一种较为理想的多载波无源光网络应用方案。
4.多输入多输出系统
埃及亚历山大大学的Mai Banawan等研究人员使用可编程自由空间解复用器（采用标准2×2多输入多输出（MIMO）传输系统和应用轨道角动量（OAM）模式复用技术），经由1.3km传输信号速率可达426Gb/s，实验装置图4所示。研究人员构建了对两种空间传输模式进行多路分解的模型，并使用线性偏振光束直接在自由空间中传输；同时讨论了硬件配置和数字信号处理的复杂性以及上述方案在波分复用（WDM）系统中的应用[4]。研究结果表明：如在发射端和接收端之间进行信道估计，可使用4个均衡器降低系统实施成本；如采用2×2 MIMO相干接收机并采用OAM模式复用技术，可在c波段实现信号收发性能均衡。综上所述，应用该方案能提升自由空间光通信系统与WDM系统的兼容性，从而进一步提升信号收发比特率.
5. 可见光通信
台北工业大学的Haihan Lu等研究人员设计了应用于第五代通信（5G）系统的三波长可见光水下传输系统实现了30Gbit/s高速率通信与752lux白光照明双重功能，如图5所示。研究人员采用红、绿、蓝三色光（RGB）分别承载10Gbit/s的16QAM-OFDM毫米波（MMW）信号，并利用具有三级注入锁相功能的RGB激光二极管（LD）进行信号调制；此外，他们使用液体光波导（LLG）漫射器传输白光，当传输距离超过3米LLG长度时能提供充足照明[5]。研究结果表明：信号通过10m长度的VLLC链路与8.8m的海水-空气-海水链路传输后，在前向纠错判决为3.8×10-3时，误码率为3.2×10-3，星误差矢量幅度（EVM）低于12.5%。综上所述，该方案显示出陆地与水下应用可见光通信系统的潜力，并为5G毫米波宽带通信系统设计了新的应用方式。
北京邮电大学的Hongyu Zhou等设计了一种基于可见光通信（VLC）的物联网（IoT）无线光接入系统，如图6所示。研究人员通过相关有效方法对全双工实时VLC系统中的串扰进行了抑制，并将发射机与接收机集成在一块印刷电路板（PCB）上。研究人员证明将红色发光二极管（LED）与APD430A/M光接收机相结合，可实现30m距离100Mbps信号的以太网传输；如采用相同发光功率的白光LED与蓝光滤光器相结合，则能实现4 m 距离100Mbps信号的以太网传输[6]。研究结果表明：在日常照明环境下，上述系统可实现94.9 Mbps的信号传输，能满足运营商以太网的用户的使用需求。该系统中的接收机在峰值响应波长下的噪声等效功率（NEP）为3.7nW，光敏面直径为3 mm，与APD430A/M的0.5 mm相比提升了耦合效率。综上所述，上述方案使得基于可见光通信的物联网无线光接入系统在电磁敏感行业领域的应用成为可能。
参考文献
H. Xu, A. Delmade, C. Browning, A. Atieh, Y. Yu and L. P. Barry, "Demonstration of High Capacity Bidirectional A-RoF System Using Wavelength Reuse and Frequency Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2343-2350, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3230741.
T. Umezawa et al., "Resonant Cavity 4-λ Integrated 4×4 PD-Array for High Optical Alignment Robustness WDM-FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2465-2473, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231344.
M. Banawan et al., "Using Standard 2×2 MIMO to Increase Capacity of Spatial Multiplexing with OAM Modes," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 7, pp. 1974-1984, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3226628.
X. Wang et al., "Laser Sharing Uplink Polarization Division Multiplexing FBMC Passive Optical Network," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2323-2332, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231247.
H. -H. Lu et al., "5G-Based Triple-Wavelength VLLC-UWLT and Laboratory-Lighting Convergent Systems," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2351-2360, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231852.
H. Zhou, M. Zhang and X. Ren, "Design and Implementation of Wireless Optical Access System for VLC-IoT Networks," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2369-2380, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3234990.
2023年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：模拟光纤无线系统、光电探测器阵列、无源光网络、多输入多输出系统和可见光通信等；笔者将逐一评析。
1.模拟光纤无线系统
华中科技大学的Haixuan Xu等研究人员设计了采用直接调制激光器（DML）的双向模拟光纤无线（A-RoF）系统，如图1所示。为提升频谱效率并减轻双向传输干扰，上下行链路的工作频率范围设置为5.5GHz-8.4GHz、1.5GHz-5.3GHz。研究人员将上行16QAM-OFDM信号与下行64QAM-OFDM信号在25km单模光纤（SMF）中传输后进行了性能分析[1]，研究结果表明：传输损失主要由瑞利后向散射造成，且采用空芯光纤可提升传输性能；在前向纠错误差矢量幅度（FEC-EVM）的限制下，采用预加重技术能支持上下行信号的成功收发。因此，该方案有望成为未来高容量无线接入网络中的候选方案之一。
2.光电探测器阵列
日本信息与通信技术研究所的Toshimasa Umezawa等研究人员设计了新型谐振腔2维4×4光电探测器阵列（2D-PDA），并在波分复用自由空间光（WDM-FSO）通信系统中进行了实验研究，如图2所示。该器件实现了与FSO光束的直接耦合，降低了跟踪光束和与单模光纤耦合对准的难度，并展现了过滤WDM光束特定波长的作用。在没有安装波束跟踪和主动对准定位系统时，研究人员针对1.5m的FSO信道，通过传输非归零码（NRZ）信号来研究该器件的性能[2]，研究结果表明：该器件支持收发每通道25Gbps的2-WDM-FSO波束及20Gbps的3-WDM-FSO波束，且接收误码率低于2×10-2；在1.5m自由空间内，接收透镜的对准公差为7mm。综上所述，该器件在短距离通信中有一定的应用前景。
3.无源光网络
中山大学的Xiaowu Wang等研究人员在光纤临街（FTTF）场景中利用基础设施，实现了激光共享滤波器组多载波无源光网络（FBMC-PON）上行架构，从而使得光网络单元（ONU）中的数据传输速率达到100Gb/s/𝜆，如图3所示。研究人员将强度调制（IM）、外差检测与偏振复用（PDM）结合，使系统容量提升；并通过异步光网络终端（ONT）研究了FBMC-PON信号在20km单模光纤（SMF）中的传输性能 [3]。研究结果表明：当保护频带为两个异步ONT频带间子载波间距的1倍时，FBMC在硬判决前向纠错（HD-FEC）和软判决前向纠错（SD-FEC）门限处的接收机灵敏度提高了8dB和3dB；当接收功率为-23dBm时，为支持2、4和8个ONT的应用，窄线宽激光器的发射光功率分别为10、16和22dBm。综上所述，上述网络架构是一种较为理想的多载波无源光网络应用方案。
4.多输入多输出系统
埃及亚历山大大学的Mai Banawan等研究人员使用可编程自由空间解复用器（采用标准2×2多输入多输出（MIMO）传输系统和应用轨道角动量（OAM）模式复用技术），经由1.3km传输信号速率可达426Gb/s，实验装置图4所示。研究人员构建了对两种空间传输模式进行多路分解的模型，并使用线性偏振光束直接在自由空间中传输；同时讨论了硬件配置和数字信号处理的复杂性以及上述方案在波分复用（WDM）系统中的应用[4]。研究结果表明：如在发射端和接收端之间进行信道估计，可使用4个均衡器降低系统实施成本；如采用2×2 MIMO相干接收机并采用OAM模式复用技术，可在c波段实现信号收发性能均衡。综上所述，应用该方案能提升自由空间光通信系统与WDM系统的兼容性，从而进一步提升信号收发比特率.
5. 可见光通信
台北工业大学的Haihan Lu等研究人员设计了应用于第五代通信（5G）系统的三波长可见光水下传输系统实现了30Gbit/s高速率通信与752lux白光照明双重功能，如图5所示。研究人员采用红、绿、蓝三色光（RGB）分别承载10Gbit/s的16QAM-OFDM毫米波（MMW）信号，并利用具有三级注入锁相功能的RGB激光二极管（LD）进行信号调制；此外，他们使用液体光波导（LLG）漫射器传输白光，当传输距离超过3米LLG长度时能提供充足照明[5]。研究结果表明：信号通过10m长度的VLLC链路与8.8m的海水-空气-海水链路传输后，在前向纠错判决为3.8×10-3时，误码率为3.2×10-3，星误差矢量幅度（EVM）低于12.5%。综上所述，该方案显示出陆地与水下应用可见光通信系统的潜力，并为5G毫米波宽带通信系统设计了新的应用方式。
北京邮电大学的Hongyu Zhou等设计了一种基于可见光通信（VLC）的物联网（IoT）无线光接入系统，如图6所示。研究人员通过相关有效方法对全双工实时VLC系统中的串扰进行了抑制，并将发射机与接收机集成在一块印刷电路板（PCB）上。研究人员证明将红色发光二极管（LED）与APD430A/M光接收机相结合，可实现30m距离100Mbps信号的以太网传输；如采用相同发光功率的白光LED与蓝光滤光器相结合，则能实现4 m 距离100Mbps信号的以太网传输[6]。研究结果表明：在日常照明环境下，上述系统可实现94.9 Mbps的信号传输，能满足运营商以太网的用户的使用需求。该系统中的接收机在峰值响应波长下的噪声等效功率（NEP）为3.7nW，光敏面直径为3 mm，与APD430A/M的0.5 mm相比提升了耦合效率。综上所述，上述方案使得基于可见光通信的物联网无线光接入系统在电磁敏感行业领域的应用成为可能。
参考文献
H. Xu, A. Delmade, C. Browning, A. Atieh, Y. Yu and L. P. Barry, "Demonstration of High Capacity Bidirectional A-RoF System Using Wavelength Reuse and Frequency Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2343-2350, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3230741.
T. Umezawa et al., "Resonant Cavity 4-λ Integrated 4×4 PD-Array for High Optical Alignment Robustness WDM-FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2465-2473, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231344.
M. Banawan et al., "Using Standard 2×2 MIMO to Increase Capacity of Spatial Multiplexing with OAM Modes," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 7, pp. 1974-1984, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3226628.
X. Wang et al., "Laser Sharing Uplink Polarization Division Multiplexing FBMC Passive Optical Network," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2323-2332, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231247.
H. -H. Lu et al., "5G-Based Triple-Wavelength VLLC-UWLT and Laboratory-Lighting Convergent Systems," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2351-2360, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2022.3231852.
H. Zhou, M. Zhang and X. Ren, "Design and Implementation of Wireless Optical Access System for VLC-IoT Networks," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 8, pp. 2369-2380, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3234990.
